Как выбрать матрицу камеры. Какая матрица лучше для фотоаппарата

Современные технологии имеют до 30 миллионов пикселей. Размер матрицы обратно пропорционально влияет на глубину резкоти фотоснимка. Также этот параметр влияет и на размеры пикселя, только уже прямо пропорционально. Не трудно сделать вывод, что от размеров зависит и светочувствительность, и цветопередача.

Как выбрать матрицу камеры?

Задача матрицы — сформировать изображение, сфокусированное на него объективом. Разберем типы матриц, ключевые характеристики и технологии. Это нужно для того, чтобы мотивировано выбирать камеру видеонаблюдения.

Тип матрицы

Существуют два типа матриц:

• CMOS (КМОП) — Complementary Metal-Oxide Semiconductor
• CCD (ПЗС) — Charged Coupled Device

Если очень упрощать — то CCD-матрица — преобразует заряды пикселей в аналоговый сигнал, а CMOS-матрица в цифровую информацию. Считается, что CCD-матрицы более светочувствительные и имеют лучшую цветопередачу (характерный пример — Sony ExView HAD). CMOS-матрицы имеют большую интеграцию и экономичность сенсора, меньшее энергопотребление и нагрев, более широкий динамический диапазон, простоту производства и меньшую стоимость, особенно мегапиксельных вариантов.

Сейчас CCD-матрицы остались разве что в старых моделях аналоговых камер стандарта CVBS (PAL, NTSC). Для IP-камер и аналоговых камер высокого разрешения стандартов CVI, TVI, AHD — можно найти почти исключительно матрицы CMOS за очень редким исключением.

Sony Exmor™

Говоря о матрицах, нельзя не упомянуть технологию конкретного производителя — на столько она повлияла на развитие CMOS-матриц. Современные CMOS-сенсоры, в отличие от CCD, построены по слоёной схеме и похожи на этажерку. Под антимуаровым фильтром расположены микролинзы переменной формы. Еще ниже — сам фотодиод. Под чувствительной поверхностью расположен модуль, который компания Sony называет DRAM. Это пять этажей из аналогово-цифрового преобразователя, буфера, системы сжатия и цепочки ускорителей (3-20 раз) передачи информационных пакетов по шине данных в LSI – линейный системный интегратор, расположенный перед процессором Sony BIONZ.

В 2009 году вышла матрица BSI-Exmor-RS с «задней подсветкой», её «рабочий отрезок» от микролинзы до пикселя уменьшен втрое, ходу луча света ничто не препятствует, а расстояние до «соседа» отсутствует — даже микролинзы плавно переходят друг в друга. Все вспомогательные и управляющие структуры каждого пикселя убраны в нижние слои. Стало возможным увеличить диаметр датчика. Чувствительность и динамический диапазон обогнали CCD-матрицы.

STARVIS™

Ещё одна матрица CMOS с обратной засветкой (back-illuminated sensor) от компании Sony.

Live-MOS-матрица

Другая технология, которую некоторые даже выделяют в отдельный тип матрицы — разработана компанией Panasonic. Live-MOS / NMOS матрица (Live MOS sensor) — светочувствительная матрица, построенная по CMOS-технологии, имеющая благодаря ряду технических и топологических решений возможность «живого» просмотра изображения. В матрицах Panasonic уменьшено расстояние от фотодиода до микролинзы. Упрощена передача сигналов с поверхности фотодиода. Уменьшено количество управляющих сигналов с 3 (стандартные CMOS) до 2 (как в CCD), что увеличило фоточувствительную область пикселя. Применен малошумящий усилитель фотодиода. Используется более тонкая структура слоя датчиков. Сниженное напряжение питания уменьшает шум и нагрев матрицы.

Starlight, Lightfinder, DarkFighter, ColorVu и др.

Суть всех перечисленных технологий — с помощью комбинации светочувствительного объектива и матрицы, эффективной технологии шумоподавления — добиться цветного изображения при низком уровне освещенности. Подробнее про светочувствительность мы поговорим на следующем шаге — когда будем обсуждать обработку изображения с матрицы.

Размер пикселя является очень важным параметром, и вот почему это так: когда пиксель больше по размеру, он способен «поймать» больше света. Матрица подобного типа будет давать меньшее количество шумов.

Договариваемся о понятиях – что же такое матрица.

Не хочу здесь давать подробное и точное с точки зрения физики понятие, но хоть что-то сказать надо, чтобы дальнейший разговор стал предметным. Так вот. В плёночные времена функцию регистрации изображения выполняла фотоплёнка. В цифровом же аппарате эту функцию выполняет датчик изображения — матрица. Важное отличие матрицы от плёнки заключается в двойной роли плёнки – регистрация и сохранение световой информации, в то время как матрица только регистрирует изображение, а за сохранение информации отвечает другое устройство – например, энергонезависимая флеш-память.
Матрица состоит из миллионов отдельных светочувствительных элементов – фотодиодов. Именно в них происходит процесс преобразования света в электрический сигнал. Сам датчик изображения не воспринимает цвет, он только фиксирует относительную яркость сцены. Для ограничения спектра света применяются специальные цветные светофильтры. Таким образом, в каждом фотодиоде может быть зарегистрирован только один цвет – красный, зелёный или синий. Вот эта связка фотодиода со светофильтром называется пикселем. (Вообще определение пикселя более широкое – ведь оно относится и к принтерам, и к мониторам, но в общем случае, всегда – это наименьший логический элемент растрового изображения, либо элемент матрицы дисплеев, формирующих изображение).
Чем больше пикселей на единицу площади содержит изображение, тем выше разрешение матрицы, тем более детальным получается изображение. Вот это определение очень важно для дальнейшего изложения. Поэтому рассмотрим его подробнее. В реальной жизни, отвлеченной от настоящей физики, под разрешением понимается только количество пикселей и полностью игнорируется площадь, на которой они располагаются! «Революционное разрешение у новой камеры Х! 18 мегапикселей!», «Пройден новый этап – 12 мегапикселей в телефоне – реальность!» Знакомо? Вот это – основной козырь маркетологов в борьбе за клиента – количество мегапикселей, как основная величина, характеризующая качество аппарата. На самом же деле – разрешение – это не количество, а количество, отнесенное к площади.
От величины пикселя напрямую зависят ряд очень важных величин – светочувствительность матрицы, отношение сигнал/шум, динамический диапазон. Чем они больше, тем матрица лучше – и наоборот. К сожалению, за более подробной информацией отсылаю интересующихся в глубины сети. А пока твёрдо запоминаем два основных положения – чем больше размер пикселя, тем лучше, и чем больше физический размер матрицы – тем лучше.

Вообще размер матрицы выражается довольно странной величиной – единица, разделённая на диаметр колбы передающей трубки телекамеры, по стандарту, применяемому в 50-х годах прошлого века. По сути — обратные дюймы. Типичные значения – 1/2.5”, 1/1.7”. Фактически же эти величины скорее отражают тип матрицы, чем несут реальные данные о размерах. Нам с Вами надо запомнить только вот что – чем меньшая величина стоит в знаменателе дроби, тем размер матрицы больше и наоборот.
Если года три-четыре назад странный размер матрицы ещё указывали в ценнике, то сегодня эта важнейшая характеристика является тайной, да такой, что средний продавец о ней даже не знает. Так вот, открываю Вам тайну: физический размер матрицы подавляющего большинства мыльниц составляет 1/2.5”, или, переведя с понятного-только-инженерам-разработчикам на русский – 5.2*3.9 мм. Вот попробуйте представить, в каких условиях приходится жить и трудиться 12-15-18 миллионам(!) фотодиодов, втиснутым в площадь детского ноготка! В остальных (как правило – моделях класса «Премиум» — типа Canon PowerShot серии G, Panasonic Lumix DMC-LX5 и других) моделях применяется чуть большая матрица — 1/1.7” (или 7.6*5.6 мм), или даже больше (флагманский компакт Olympus ZX-1 – 1/1.63”), причем её чаще всего изготавливают с «разрешением» (ну Вы теперь знаете, о чём речь) «всего» в 10 мегапикселей.
Промежуточное значение размера матрицы у относительно нового класса техники – беззеркальных аппаратов со сменными объективами. Большинство игроков рынка выступили на рынке со своими детищами. Появляется и расширяется ассортимент объективов и прочей обвязки для данного класса фототехники. По всему похоже, что его ждёт большое будущее, однако сегодня эти модели ещё очень дороги (пример – Leica M9. Пусть история фирмы, пусть дизайн, пусть легендарная оптика, но 230 тысяч(!) — пока извините, я попозже зайду). Так вот – их матрица занимает промежуточное положение между матрицами зеркалок и компактов. Качество же изображения вполне сравнимо с «зеркальным», благодаря нешуточным возможностям современных процессоров и программ обработки изображения в самом фотоаппарате.

Сколько мегапикселей нужно.

Человек, в повседневной жизни не сталкивающийся с подробностями частной жизни гаджетов, как правило, бывает сильно удивлён, узнав и осознав, как далеко от правильной дороги может увести маркетинговая галиматья из серии «3 ядра – 3 гига» или «Каждому телефону – 12 мегапикселей».
Сколько же пикселей реально необходимо иметь правильным пацанам в своём фотоаппарате? Для наглядности понимания приведу несколько примеров:

• ЭЛТ телевизор – 786*576 пикселей = примерно 440 КИЛОпикселей;

• Обычное фото ВКонтакте = фоторамка – 640*480 пикселей = 300 КИЛОпикселей;

• Плазменная панель стандарта 1080p или 1080i (у них разрешение одинаковое) = монитор 19” – 1920*1080 = почти 2 МП (вы заметили, что мы только теперь добрались до приставки мега-?);

• Фотография 13*18 см – 3 МП;

• Фотография 20*30 см (А4) – 6 МП (вот только честно – Вы часто печатаете такие фотки?).

Таким образом, для печати отпечатка размера А4 с лихвой хватит ШЕСТИ мегапикселей. Зачем же тратить деньги на больший размер, если имеющегося качества хватает за глаза? А ведь мы еще не поговорили о размере получающегося файла, который растёт пропорционально площади кадра, то есть в квадрате.

Задача матрицы — сформировать изображение, сфокусированное на него объективом. Разберем типы матриц, ключевые характеристики и технологии. Это нужно для того, чтобы мотивировано выбирать камеру видеонаблюдения.

Физический размер матрицы

Именно этот параметр играет одну из самых главных ролей в работе фотоаппарата. Очевидно, что речь идет про геометрические размеры. Ширина и длина сенсорного датчика измеряется в миллиметрах, а в некоторых камерах может быть переведена в дюймы.

Важно! При выборе камеры следует выбирать меньшие значения в дюймах, поскольку в характеристиках всегда указывается обратная величина.

От этого размера зависит и цифровой шум, который возникает при переносе основного сигнала на передатчик фотокамеры. От площади зависит и то, сколько света попадет на сенсор.

В последнее время принято брать во внимание и коэффициент “crop factor”, который показывает отношение сенсора и полного кадра.

Важно! В зависимости от поставленных целей, разберитесь с нашей помощью также в том, зеркальный или цифровой фотоаппарат лучше.

Светочувствительность

Светочувствительностью называется свойство пленок или матриц, которые выполнены из материала, чувствительного к свету. Этот параметр характеризует скорость “впитывания” света. По стандартам этот параметр принято обозначать как ISO.

Важно! Чем выше это значение, тем меньшее количество световых лучей потребуется для съемки. Такое явление очень полезно, когда нужно работать в слабо освещенном помещении.

Именно этот показатель указывает на способность усиления сигнала. Все это означает, что высокое значение ISO приведет к большему усилению сигнала, но не получится избежать усиления шумов. Поэтому большие значения — это не всегда показатель качества.

Важно! Воздержитесь от таких фотоаппаратов, если не уважаете зернистость.

Самое оптимальное значение ISO должно быть где-то 400 единиц.

Вот мы и перешли к самому главному вопросу: какой тип матрицы лучше для фотоаппарата?.

Типы матриц фотоаппаратов

Выделяют следующие типы матриц, которые зависят от вида используемого светофильтра:

• RGB — это самый дешевый тип, имеющий самое большое распространение в фото-технике.
• RGBW. Модели с таким типом обойдутся чуть дороже, но, как известно, за качество нужно платить. RGBW удобно использовать в слабоосвещенных местах.
• RGBE. В таких матрицах установлен фильтр Баера, что положительно сказывается на цветовой гамме фотоснимка. Цвета таких фотографий наиболее максимально приближены к естественным.

Также можно классифицировать датчики по двум разным типам сенсоров:

1. CCD (ПЗС). Обеспечивает последовательное считывание с ячеек информации.
2. CMOS (КМОП). Считывает данные отдельно по конкретному адресу нужной ячейки.

В чем же еще их различия?

• Матрицы ПЗС требовательны по времени к “созданию” фотографии. Такие устройства невыгодно использовать для быстрой съемки.
• Если вы заинтересованы в автоматической фокусировке или экспонометрии, то CMOS типа bsi — это самый лучший вариант для приобретения.
• CCD-матрица имеет неоспоримое преимущество над CMOS — это ее малые габариты. Поликремниевый светодиод позволяет достичь меньших размеров этого элемента, но он же пагубно влияет на качество снимков в тех помещениях, которые оборудованы слабым освещением.
• В структуре CMOS-матрицы использованы полупроводники из металлооксидных материалов, которые приводят к большему размеру, но позволяют получить лучшее качество фотоснимков.

Что же в итоге лучше?

Объективного мнения на этот счет найти невозможно, поскольку каждая технология имеет неоспоримые достоинства и недостатки. Да и все, по большей степени, зависит от сферы их применения.

Надеемся, что, опираясь на прочитанное, вы смогли определить, какой тип матрицы лучше для фотоаппарата для вас. Удачных кадров!

Сложно объяснить, что такое развёртка для человека 21 века 🙂 Существует чересстрочная и прогрессивная развертка. Чересстрочная развертка — наследие вещательных телевизионных стандартов (PAL, NTSC) — и сейчас почти не используется. Суть чересстрочной развертки на картинке:

Характеристики матрицы

Необходимо понимать, что матрицы бывают совершенно разными по качественным показателям. В этом вопросе важным сигналом будет цена: в том или ином ценовом сегменте матрицы имеют определенный уровень качества. Будьте готовы к тому, что бюджетные варианты фотоаппарата вряд ли будут обладать высококачественной матрицей. Поскольку матрицу можно смело назвать сердцем камеры, не стоит экономить при выборе. Вы ведь хотите, чтобы ваши снимки были на высоте? Тогда остановите свой выбор на фотоаппарате, оснащенном качественной матрицей.

По каким параметрам следует выбирать матрицу?

1. Размер
2. Разрешение
3. Соотношение сигнал-шум
4. Уровень светочувствительности
5. Динамический диапазон

Итак, рассмотрим первый параметр из нашего списка, а именно — размер матрицы. Его определяет величина пикселей, а также плотность их расположения относительно друг друга. Меньшая плотность расположения пикселей дает меньший уровень нагрева матрицы и более сильное соотношение сигнала и шума, которое создает более четкую фотографию.

Учтите, что именно размер матрицы является ее главной характеристикой. При выборе на него нужно обратить особое внимание.

Что же обеспечивает размер матрицы и почему он является таким важным параметром?

Итак, размер матрицы диктует:

1. Уровень шума фотографии
2. Глубину и насыщенность ее цвета
3. Динамический диапазон
4. Размер фотокамеры

Больший размер матрицы обеспечивает:

1. Низкие показатели шума на фотографии. Матрица, имеющая большую поверхность, принимает больше света. Это будет сопряжено с меньшим нагревом, меньшей погрешностью в процессе квантования, соответственно, меньшим уровнем воздействия нежелательных шумов. Чем больше физический размер матрицы, тем меньше посторонних шумов будет на снимке, даже если съемка осуществляется при низком уровне освещения. Если говорить проще, фотография не будет пестрить лишними точками, точно не способствующими эстетике снимка.
2. Широкий динамический диапазон
3. Насыщенные, глубокие цвета снимка

Глубина цвета является показателем, который определяет возможность камеры идентифицировать любые метаморфозы цвета, даже самые незначительные. Это особенно ценно для фотографий однотонных пейзажей, не имеющих резких цветовых переходов. Большая матрица способна уловить даже самый незначительный цветовой переход, в то время как маленькая не имеет такой возможности.

Единственный недостаток, с которым придется смириться при выборе большой матрицы, это размер самой камеры. Чем больше матрица, тем больше размер камеры. Строго говоря, это вряд ли можно считать серьезным недостатком, учитывая широкий спектр преимуществ, которые дает матрица большого размера.

Виды матрицы

Он определяет способ работы матрицы.

На этом основании матрицы делят на 2 технологии:

Конечная цель является одинаковой: накопление света. Разница в том, что является элементом, составляющим структуру. В первой технологии это диод, а во второй — транзистор.

Если говорить о качестве фотографий, то плюсом CCD-технологии были более приятные глазу цвета, а CMOS-технология выгодно отличалась гораздо меньшим уровнем шума.

В наше время подавляющее большинство камер оснащено матрицей CMOS.

От этого размера зависит и цифровой шум, который возникает при переносе основного сигнала на передатчик фотокамеры. От площади зависит и то, сколько света попадет на сенсор.

Типы матриц

Матрицы фотоаппаратов могут быть изготовлены по разным технологиям и иметь разные размеры. В фотокамерах применяются следующие виды сенсоров:

ПЗС матрица состоит из полупроводниковых фотодиодов, а считывание электрических потенциалов осуществляется по горизонтальным строкам. Полевые структуры КМОП намного экономичнее, но за счёт электронных преобразований при считывании, качество картинки несколько хуже, чем на матрице ПЗС. Live-MOS является усовершенствованным КМОП сенсором. Его отличают повышенная чувствительность и быстрая передача сигналов. В матрице используется малошумящий усилитель и низковольтное питание. Это разработка Панасоник, которая применяется в фотоаппаратах этой компании, а так же в камерах Leica и Olympus. 3CCD или трёхматричный сенсор обеспечивает высококачественную цветопередачу с малым уровнем шумов. Разделение цветов осуществляется дихроидной призмой маленького размера с записью каждого из основных цветов на отдельную матрицу. К недостаткам системы 3CCD относятся большие размеры устройства и высокая цена камеры.

Важные характеристики матриц

Полупроводниковая матрица цифрового фотоаппарата имеет ряд основных характеристик, от которых зависит качество изображения. Это следующие параметры:

1. Размер
2. Количество пикселей
3. Чувствительность
4. Динамический диапазон
5. Соотношение сигнал/шум

К дополнительным характеристикам относится напряжение питания и энергопотребление. Они не влияют на картинку и в описании фотоаппарата обычно не указываются.

Кроп фактор

Это главный параметр полупроводниковой матрицы. От него, и в меньшей степени от количества пикселей, зависят важнейшие характеристики изображения, снятого камерой. Кроп фактор это цифра, показывающая, на сколько реальная матрица меньше полнокадрового стандарта. Full Frame – это размер матрицы 24 Х 36 мм. Такими сенсорами оснащаются самые дорогие и профессиональные фотоаппараты. Этот размер соответствует кадру на стандартной фотоплёнке. Для снижения стоимости фототехники, а так же для производства компактных и лёгких любительских фотокамер «мыльниц» применяются матрицы маленького размера.

Существует общепринятый ряд форматов светочувствительных матриц. За полнокадровыми матрицами следует размер 16 Х 24 мм, что соответствует кроп-фактору 1,5. Самыми маленькими сенсорами, применяемыми в недорогих фотоаппаратах, являются матрицы с размерами 4,5 Х 3,4 мм. Это кроп фактор 7,6. Они применяются в дешёвых моделях фотокамер, где высокое качество кадра не требуется.

Разрешение, мегапиксели

Количеством мегапикселей обычно хвастаются продавцы фотоаппаратов, когда предлагают товар начинающим фотолюбителям. К этому параметру следует относиться с осторожностью. Кадр цифрового фотоаппарата состоит из миниатюрных полупроводниковых элементов. Каждый пиксель это сверхминиатюрный фотодиод или фототранзистор. Теоретически получается, что чем больше пикселей, тем выше качество изображения, точнее проработка мелких деталей или разрешение. На практике большое количество пикселей повышает качество изображения только на матрицах большого размера.

Если размер кристалла небольшой, а изготовитель фотоаппаратов сумел разместить на нём большое количество светочувствительных элементов, то качество изображения будет невысоким. Очень важным для матрицы является не только размер отдельных фотоэлементов, но и расстояние между ними. Маленькие расстояния приводят к перегреву матрицы и возрастанию цифрового шума, который характеризуется цветными точками по всему изображению. Кроме того, при сильном диафрагмировании объектива фотокамеры, за счёт дифракции, вокруг элементов изображения будет появляться цветовая окантовка. Поэтому кадр, снятый на фотоаппарате с матрицей 5,4 Х 4,0 мм и 16 Мп, будет гораздо хуже снимка, полученного на камере с размерами матрицы 8,8 Х 6,6 мм и 10 Мп. Считается, что, в камерах, превышение числа мегапикселей свыше 25 будет излишним. Отчасти это связано с разрешением принтеров для фотопечати, когда самые продвинутые модели печатают фотографии с разрешением 9 600 Х 2 400 точек, что соответствует 23,4 мегапикселей.

Наряду с типом матрицы — её физический размер — ключевой фактор, влияющий на светочувствительность (способность формировать контрастное изображение при низком уровне освещенности).

Самые лучшие производители

Рейтинг изготовителей фотографических матриц весьма лаконичен. Список фирм, которые этим занимаются, в целом невелик. Даже такая компания, как Nikon, хоть и разрабатывает сама матрицы, фактическое производство отдает другим организациям. Часто заказы передаются Sony. А также руководство компании утверждает, что делает заказы и у Fujitsu.

Фирма Sony является одним из крупнейших мировых производителей фотографических матриц. Ими оснащаются также собственные фотоаппараты под этим брендом. Лишь Canon опережает его по объему производства матриц (только для собственных нужд). Еще стоит отметить продукцию:

• Samsung;
• Panasonic;
• Kodak;
• E2V;
• Aptina;
• Sigma;
• Foveon.

Как проверить на битые пиксели?

Как бы ни старались производители, пыль и другие факторы, просто повседневная эксплуатация неизбежно будут сказываться на характеристиках матриц. Их обязательно надо проверять на битые и горячие пиксели. Такая проверка зеркального фотоаппарата производится следующим образом:

• отключают подавление шумов;
• чувствительность матрицы выставляют на минимум или на близкое к нему значение;
• задают ручной режим экспозиции;
• выключают автофокус.

Важно: ни один пункт пропускать нельзя. В противном случае никакого точного представления о свойствах матрицы получить не удастся. Сам тест состоит в фотографировании без снятия крышки объектива. Выдержка должна составлять по 3 кадрам 1/3, 1/60 и 3 секунды. Далее отснятое изображение просматривают в максимально возможном разрешении, лучше всего — увеличив на экране компьютера.

На снимке с выдержкой 1/3 секунды не должно быть цветных или серых точек. Обнаружив хотя бы несколько таких включений, надо ознакомиться с кадром, сделанным при выдержке 1/60. Если там подозрительных точек нет или существенно меньше, можно считать, что первая стадия оценки прошла успешно. На самой длинной выдержке даже у полностью исправной матрицы неизбежно обнаружится 5 или 6 цветных точек. Таковы неизбежные физические процессы, и они не ухудшат каким-либо образом картинку.

Цветные точки могут появляться при высокой чувствительности. Так тоже проявляются горячие пиксели. Но это компенсируется очень легко — достаточно включить шумоподавитель. Проблемой являются видимые при средней выдержке и малом ISO многочисленные точки. Когда их больше 5 штук, стоит отложить камеру и приступить к проверке другого фотоаппарата, иначе деньги будут брошены на ветер.

В следующем видео смотрите о матрице фотоаппарата.